Ekspert: Bezemisyjność to utopia
– W raporcie Solidarności na temat skutków Zielonego Ładu zwracał Pan uwagę na konieczność określenia granicy udziału OZE w systemie elektroenergetycznym. Dlaczego nie możemy pozyskiwać ze słońca czy wiatru 80–90 procent energii?
– Odnawialne źródła energii są niestabilne. Charakteryzuje je dyspozycyjność wynosząca od kilkunastu procent w przypadku fotowoltaiki i lądowych farm wiatrowych do około 35 proc. w przypadku morskich farm wiatrowych. Dla porównania – dyspozycyjność elektrowni jądrowych wynosi ponad 90 proc., co oznacza, że generują w sposób stabilny energię elektryczną przez około 8000 godzin rocznie.
W polskich warunkach optymalny poziom wytwarzania energii z OZE to około 30 proc. Tym bardziej że odnawialne źródła dają bardzo niski zwrot energii w stosunku do tej wydatkowanej na wytworzenie i zainstalowanie tych źródeł. W przypadku elektrowni jądrowych tzw. współczynnik EROI (Energy Return on Investment) wynosi około 75, co oznacza, że elektrownia jądrowa wygeneruje 75 razy więcej energii, niż zużyto na jej wytworzenie oraz realizację cyklu paliwowego w okresie jej eksploatacji. W przypadku OZE współczynnik EROI wynosi od kilku do kilkunastu. Oznacza to, że system energetyczny oparty jedynie na dzisiejszych technologiach OZE – przede wszystkim fotowoltaice i farmach wiatrowych – wytwarzałby głównie energię na obsługę samego siebie i miałby słabe zdolności odtworzenia zainstalowanych mocy wytwórczych. Pamiętajmy, że stal zużywana na wytworzenie turbin wiatrowych powstaje w skali globalnej przede wszystkim dzięki stabilnym elektrowniom węglowym oraz koksowi wytwarzanemu z węgla.
Czytaj także: Amerykański Departament Stanu zaleca jak najszybsze opuszczenie Libanu
Miks energetyczny
– Jak powinien wyglądać zatem polski miks energetyczny, uwzględniając nasze położenie, zasoby i potencjał?
– Polski miks energetyczny powinien być zróżnicowany. Energia powinna pochodzić zarówno z pracujących systemów elektrowni jądrowych i wysokosprawnych elektrowni węglowych, jak i ze źródeł odnawialnych. OZE powinny być zdublowane źródłami cieplnymi o zbliżonej dynamice, to znaczy takimi, które mogą osiągnąć pełną moc ze stanu zerowego w ciągu kilku godzin, a nawet kilkudziesięciu minut.
Taką rolę pełnią elektrownie gazowe, ale w Polsce mogą to być również zmodernizowane i uelastycznione bloki węglowe klasy 200 MWe. Takie uelastycznienie jest możliwe, co wykazały rezultaty programu Bloki 200+ sfinansowanego przez NCBiR. Ten program zakończył się w 2021 roku i doprowadził do opracowania kilku technologii uelastycznienia polskich bloków węglowych wspomnianej klasy.
Niestety trudno zrozumieć, dlaczego spółki energetyczne nie wdrożyły tych technologii. Pewnie liczyły, że powstanie Narodowa Agencja Bezpieczeństwa Energetycznego i zostaną uwolnione od aktywów węglowych. Gdyby wdrożono technologie z programu Bloki 200+, to moglibyśmy utrzymać część energetyki węglowej w okresie przejściowym, nim zbudujemy elektrownie jądrowe. Z drugiej strony utrzymalibyśmy kompetencje budowy i modernizacji elektrowni węglowych, na które w skali globalnej pojawia się rosnący rynek przede wszystkim w Azji i Afryce.
– Jakie są rzeczywiste koszty pozyskania energii z farm fotowoltaicznych i wiatrowych w porównaniu do stałych źródeł energii, takich jak elektrownie jądrowe czy węglowe?
– Tak jak wspomniałem, OZE muszą być zdublowane elektrowniami gazowymi lub zmodernizowanymi elektrowniami węglowymi. Do tego dochodzi koszt budowy co najmniej krótkoterminowych magazynów energii. Przy takich założeniach koszty inwestycyjne dla niestabilnych OZE są znacząco wyższe niż te poniesione na budowę nowych elektrowni atomowych. Może nawet kilkukrotnie wyższe, jeśli uwzględnimy budowę dodatkowej infrastruktury. W przypadku elektrowni węglowych trudno to porównać ze względu na system ETS.
Należy również zwrócić uwagę, że połączenie niestabilnych technologii OZE i elektrowni gazowych jako podstawowych jednostek dublujących może stworzyć bardzo niebezpieczny precedens. Teoretycznie im więcej OZE, tym więcej niezależności energetycznej, ale w praktyce oznacza to większe zapotrzebowanie na gaz. A gaz ziemny musimy importować spoza UE. Na szczęście Polska posiada własne zasoby gazu, które są w stanie uzupełnić ok. 30 proc. naszego docelowego zapotrzebowania na ten surowiec.
OZE
– Gdy mówi się o odnawialnych źródłach energii, to zawsze pojawia się pytanie, czy można ją efektywnie magazynować. Dzisiejsze technologie na to nie pozwalają?
– OZE są niestabilne, więc jeśli chcemy pozyskiwać z nich dużo energii, to potrzebujemy też wielkoskalowych magazynów. Obecnie jedynymi wielkoskalowymi magazynami energii, które są w stanie współpracować z fotowoltaiką i wiatrakami, są elektrownie szczytowo-pompowe (ESP). Magazyny bateryjne nie spełniają uwarunkowań ekonomicznych. Z kolei inne technologie, takie jak np. magazyny grawitacyjne, magazyny wykorzystujące sprężone lub skroplone powietrze, są dopiero rozwijane i nie stanowią obecnie realnej alternatywy dla ESP. Duże nadzieje są pokładane w technologiach wodorowych, jednak one również ciągle pozostają na poziomie projektów.
Funkcję magazynowania energii mogą także pełnić kogeneracyjne i trigeneracyjne systemy ciepłownicze. Magazynowanie energii cieplnej jest technicznie opanowane i możliwa jest zmiana paradygmatu działania systemów kogeneracyjnych, w szczególności gazowych. Elektrociepłownie mogą dostarczać energię elektryczną na żądanie, a przy braku zbytu na ciepło – magazynować ją.
Powstałe w kogeneracji ciepło może być magazynowane przez kilkadziesiąt godzin, może też podlegać konwersji na chłód o parametrach odpowiednich do wykorzystania w systemach klimatyzacyjnych. W Polsce transformacja ciepłownictwa powinna stać się częścią transformacji energetyki i zostać silnie ukierunkowana na zastąpienie magazynów energii elektrycznej przez magazyny ciepła lub chłodu.
– A ile energii z OZE są w stanie zmagazynować nasze krajowe elektrownie szczytowo-pompowe?
– W Polsce obecnie pracuje 6 elektrowni szczytowo-pompowych o łącznej mocy 1760 MWe. Planowana jest budowa tego typu elektrowni Młoty o mocy 750 MWe. Natomiast oszacowany przez Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w roku 2022 potencjał rozwoju elektrowni szczytowo-pompowych w Polsce wynosi około 6,5 GWe. Po wykorzystaniu pełnego potencjału nowych ESP w Polsce łączna moc zainstalowana w elektrowniach szczytowo-pompowych może wynosić około 7,5 GWe, a łączna pojemność tych magazynów energii osiągnąć do 20 GWh.
– W opracowaniu zwrócił Pan również uwagę na fakt, że farmy wiatrowe radzą sobie gorzej, niż zapewniają ich producenci. Co tak mocno obniża ich efektywność, poza tym że w niektóre dni po prostu słabiej wieje?
– Elektrownie wiatrowe tracą wydajność m.in. przez zabrudzenia łopat, zmiany ich chropowatości, erozję, oblodzenie, łuszczenie się powłoki, a także deficyt prędkości wiatru w śladzie aerodynamicznym za sąsiednimi turbinami wiatrowymi. Okazuje się, że odległość pomiędzy sąsiednimi turbinami wiatrowymi powinna być rzędu 10 średnic łopat, co oznacza przy obecnych rozmiarach łopat co najmniej kilometrowe odstępy między poszczególnymi wiatrakami. Wszystkie powyższe przyczyny powodują utratę wydajności farm wiatrowych w stosunku do wartości nominalnych pojedynczych turbin nawet o 30 proc. Zwróćmy uwagę, że zasada odległości turbin wiatrowych od innych obiektów wyrażona jako krotność wysokości turbiny ma uzasadnienie w fizyce i nie może być oceniana jedynie w oparciu o kryteria polityczne.
– W kontekście budowy wiatraków często mówi się także o zagrożeniu dla ptactwa czy niszczeniu krajobrazu. W raporcie zwrócono też uwagę na podniesienie temperatury ziemi czy duże zapotrzebowanie na wolne powierzchnie. Uważa Pan, że elektrownie wiatrowe nie są ekologiczne?
– Elektrownie wiatrowe, podobnie jak inne OZE, są korzystne, jeżeli stanowią rozsądne uzupełnienie systemu elektroenergetycznego i nie powodują jego destabilizacji. Wpływ dużej farmy wiatrowej na prędkość wiatru za farmą jest tak istotny, że może zakłócić warunki wodne na powierzchni ziemi i poprzez ograniczenie energochłonnego parowania doprowadzić do lokalnego wzrostu temperatury gruntu i okolicy. Przy bardzo dużym udziale OZE w miksie energetycznym źródła te zajmują nawet kilka procent powierzchni kraju, doprowadzając do silnych zmian flory i fauny. Czyli ograniczenie emisji CO2 zastąpione zostaje innymi zmianami w środowisku o wciąż nieznanych dalekosiężnych skutkach.
Utopia
– Strategiczna wizja Komisji Europejskiej, czyli osiągnięcie w 2050 roku całkowicie bezemisyjnej gospodarki, to mission impossible?
– Całkowita bezemisyjność jakiegokolwiek procesu transformacji energii po prostu nie istnieje.
Wynika to wprost z najbardziej uniwersalnego prawa przyrody, jakim jest II zasada termodynamiki. Zgodnie z nią każdemu procesowi transformacji jakiejkolwiek formy energii w inną towarzyszy emisja co najmniej ciepła. Możemy więc zamienić emisję dwutlenku węgla, który może być przynajmniej częściowo w sposób odwracalny pochłaniany przez lasy i biomasę, na emisję ciepła, ale musimy liczyć się z konsekwencjami tego procesu. Jakimi? W zamian otrzymamy nieodwracalne zmiany w stosunkach wodnych poprzez wykorzystywanie coraz większych ilości wody do chłodzenia rozproszonych instalacji energetycznych oraz wytwarzania wodoru w procesach elektrolizy. Istotna jest również „emisja” do środowiska odpadów, na których recykling obecnie nie ma rozwiązań technologicznych. Są to m.in. łopaty wycofanych z użycia elektrowni wiatrowych czy zdegradowane baterie aut elektrycznych. Osiągnięcie całkowicie bezemisyjnej gospodarki jest utopią realizowalną jedynie przez całkowitą likwidację tejże gospodarki.
Maciej Chorowski
Prof. dr hab. inż. Maciej Chorowski – dziekan Wydziału Mechaniczno-Energetycznego Politechniki Wrocławskiej. Jeden z inicjatorów powstania Wrocławskiego Parku Technologicznego. Był dyrektorem Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, a także prezesem Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska. Od roku 2015 jest członkiem Narodowej Rady Rozwoju przy Prezydencie RP.
